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Thema: 3D-Laser-Rangefinder im Selbstbau

  1. #1

    3D-Laser-Rangefinder im Selbstbau

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    Beim Robotikpraktikum im Studium hat mich eine Sache ganz besonders interessiert:

    Wir hatten dort einen mobilen Roboter mit einem 2D-Laser-Scanner der Firma Sick.
    Von dem Zeitpunkt an wollte ich schon immer mal so einen Sensor zur Roboternavigation einsetzen.

    Allerdings zeigte sich, dass sich dies im Studium nicht machen laesst (das Thema ist fuer den Prof zu unspektakulaer; damit kommt man nicht auf Titelblaetter irgendwelcher Fachzeitschriften und das ist leider das einzige was zaehlt).
    Daher habe ich mich entschieden, dass ich das Thema privat als Hobby verfolge. Momentan hat auch der Pruefungsstress wieder nachgelassen; Zeit habe ich nun


    Die komerziellen 2D-Rangefinder sind wenig interessant fuer mich, da:
    1. zu teuer (fuer das was sie koennen)
    2. 2D
    3. recht langsam (10 Scans/sek.) und oft zu wenig aufloesend

    10 Scans/sek. klingt recht schnell, aber ich moechte das ganze in 3D. Wenn man jetzt z.B. dem 2D-Scanner einen Tilt-Mechanismus spendiert, dann dauert eine Aufnahme mit 200-500 Zeilen zu lange.
    (Beispiel:
    http://www.tu-chemnitz.de/etit/proau...finder.99.html)


    Meine Idee war desshalb: einen Sensor mehr oder weniger komplett selbst bauen. Ich weiss, dass die Sache alles andere als einfach ist; eher pervers komplex, ist aber eine tolle Herausforderung.

    Meine Idee:
    Einen 1D-Laser-Rangefinder-Sensor, der nach dem Time-of-flight-Prizip misst, nehmen und den Laserstrahl mit zwei Spiegeln in x- und y-Richtung ablenken. Die Spiegel werden dann entweder von Schrittmotoren oder von buerstenlosen Servomotoren abgelekt (wobei man dort die Position per Drehimpulsgeber abtasten muesste, um die Messungen zu syncronisieren) und die Messwerte in einem SRAM abgespeichert.
    Die Ansteuerung von Motoren und Sensor wuerde ein FPGA erledigen.
    Bei einer Aufloesung von 800x600 "Pixeln" und bei 16-Bit pro Entfernungsmesswert waeren das fast 1MiB pro Bild. Ich halte damit eine Scanrate von 5 Bildern pro Sekunde fuer gar nicht so unrealistisch und "machbar".

    Die Elektronik und Ansteuerung sehe ich nicht als Problem an, denn mit FPGAs habe ich schon des oefteren gearbeitet (ich habe z.B. bereits ein komplettes System inkl. CPU, Speichercontroller und Peripherie entworfen und entwickelt).

    Ich sehe allerdings Probleme bei dem Entfernungssensor und bei der Optik:
    1. Ich weiss nicht, ob die Ablenkung mittels Spiegel funktioniert. Immerhin sind die Reflexionen extrem schwach. Man muesste schon extrem gute Spiegel einsetzen, um die Reichweite nicht grossartig zu minimieren

    2. Ich habe bis jetzt noch keinen passenden Sensor gefunden.
    Die kommerziellen 2D-Rangefinder haben Reichweiten von 15-20m. Es gibt auch welche fuer den Ausseneinsatz mit Reichweiten mit 70m und mehr.
    Die 15-20m moechte ich schon erreichen. Mehr (wenn Aussenberieb moeglich ist) waere natuerlich klasse!
    Entweder haben die Sensoren nur eine Reichweite von einigen cm oder sie sind wieder extrem langsam (RS232, oder falls Pulsweitenausgang auch nur einige wenige Messungen pro Sekunde)...

    Nun: man koennte alles selber bauen. Zugegeben, der Gedanke aengstigt mich ein wenig.
    Man braucht einen Laser, der mit passender Freqenz modulierbar ist; der Empfaenger ist wohl das komplizierteste und man Zeiten im Bereich weniger ns (!) genau messen koennen.
    Einen passenden Laser zu finden duerfte machbar sein, die Laufzeitmessung auch (ich habe mal ASICs gesehen, die 1. Zeiten im Bereich von 1-50ns sehr genau messen koennen; 2. bezahlbar sind (10-30$); leider weiss ich noch weder Typ noch Hersteller) und Empfaenger gibts auch fertige von z.B. Analog Modules (http://www.analogmodules.com/)

    Die Dinger sind - soweit ich gesehen habe - fuer die militaerischen Einsatz gedacht (Leitsysteme fuer Raketen usw.).

    z.B. http://www.analogmodules.com/admince...heets/758a.pdf

    Das Ding ist im DIL-Format, bringt idealerweise einen Verstaerker gleich mit und ist sogar per Peltier-Element Temperaturkompensiert (Ansteuerung davon muss allerdings extern erfolgen).

    Ich habe allerdings keine Ahnung ob die Dinger bezahlbar sind (dass man sie nicht fuer unter 100$ bekommt wuerde ich annehmen; aber zu extrem darfs halt auch nicht sein) und ob man sie ueberhaupt bekommt (bei militaerischem Zeugs ist das immer so eine Sache).
    Mal ganz davon abgesehen, dass ich ueberhaupt nicht weiss, ob sie sich fuer mein Projekt ueberhaupt eignen.

    Der groesste Showstopper duerfte die Optik sein. Bloederweise habe ich davon keine Ahnung - nicht gerade ideal fuer so ein Projekt.

    Vielleicht hat schon mal jemand sowas oder was Aehnliches realisiert oder geplant und hat ein paar Ideen oder Anmerkungen fuer mich.
    Fuer Vorschlaege von Bauteilen (Sensoren, Spiegel etc.) oder Links zu Herstellerseiten bin ich auch dankbar.

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter Experte
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    Microb hatte dieses Jahr beim Eurobot sowas im Einsatz, wenn auch mit deutlich geringerer Auflösung, als von dir gewünscht.
    http://wiki.droids-corp.org/index.ph...Scanner3D_real
    Ich würde dir empfehlen auf einen Industrie-Entfernungssensor zurückzugreifen - da steckt genügend Know-How drin, um dich paar Jahre zu beschäftigen und du kommst deinem eigentlichen Ziel nicht näher.
    Den Entfernungsbereich solltest du noch eingrenzen - Sensoren die 20m weit sehen, kommen oft nicht bis in den Nahbereich und haben schnell eine schlechte Auflösung.
    Musst du dich halt mal bei Sick, Baumer, Balluff &Co umsehen..billig wird das ganze sicher nicht.

    Ich denke du wirst auch sehr schnell merken, dass die Genauigkeiten, Geschwindigkeiten und auch Preise der komerziellen 2D-Rangefinder garnicht so schlimm sind, wie du denkst. Man muss z.B. ganz ordentlich Mitteln um brauchbare Ergebnisse zu erhalten usw..

    Frage: Was willst du mit der Masse an Messwerten machen?

  3. #3
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    84

    Re: 3D-Laser-Rangefinder im Selbstbau

    Du möchtest 800x600x5fps = 2.400.000 Messungen pro Sekunde durchführen. Das sind dann 416ns pro Messung. In der Zeit schafft das Licht 125m. Da das Licht dabei die Strecke hin und zurück muss, reduziert das die Reichweite auf 62,5m. Die von Dir erhofften 70m Reichweite sind also schon rein physikalisch gar nicht möglich.

    Aber wie ähM_Key schon schreibt: Eine einzelne Messung wird Dir kein vernünftiges Ergebnis (Genauigkeit und Empfindlichkeit) liefern. Du wirst mitteln müssen (Oversampling). Wenn Du z.B. über 100 Messwerte mittelst, dann sind Deine o.g. Anforderungen natürlich nicht mehr zu halten.

    Wozu brauchst Du überhaupt eine so hohe Framerate? Bezogen auf die Geschwindigkeit eines Roboters: Wenn der Roboter (oder die "Hindernisse") 20m/s machen ist es sicherlich wichtig, blitzschnell ausweichen zu können. Aber wenn der Roboter (oder die anderen) nur 1m/s schaffen, dann ist ein 20m entferntes Hindernis noch 20s entfernt.

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von Willa
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    Interessantes Projekt... Hoffentlich nicht zu komplex.
    Spiegel (oberflächenbeschichtet und auf die Wellenlänge deines Lasers abgestimmt) gibt es bei Thorlabs und bei CVI Melles Griot.
    Viele Grüße, William
    -> http://william.thielicke.org/

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